發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻原理

對(duì)流冷卻 　冷卻劑流過(guò)受熱零件壁面，靠對(duì)流傳熱將熱量帶走，如對(duì)著受熱壁面噴射冷卻劑以提高對(duì)流冷卻的效果（稱為噴射冷卻）。對(duì)流冷卻廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種受熱零、組件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片采用空氣對(duì)流冷卻，可使葉片溫度降低200～250°C，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室用推進(jìn)劑的一種組元作為冷卻劑，使其流過(guò)冷卻套來(lái)冷卻室壁，然后進(jìn)入燃燒室參加燃燒，這種冷卻方式稱為再生冷卻。如果流過(guò)冷卻套的推進(jìn)劑由噴管末端一周小孔直接排出，則稱為排放冷卻。這種方法適用于以氫作冷卻劑的推力室，排放射流也能產(chǎn)生一部分推力。

薄膜冷卻　由液體推進(jìn)劑或氣體在受熱壁面上形成薄膜阻止燃?xì)庀虮诿鎮(zhèn)鳠岬睦鋮s方式分別稱為液膜冷卻或氣膜冷卻。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室在熱流密度最大的噴管喉部附近采用液膜冷卻，更多的是在噴注器周邊設(shè)置一圈低混合比的噴嘴或燃料直流射孔，在燃燒室內(nèi)壁面附近形成低溫邊區(qū)或薄膜，把中心區(qū)高溫燃?xì)馀c壁面隔開(kāi)。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和火焰筒常用氣膜冷卻，葉片溫度可降低400～600°C。有的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)把渦輪排氣引入推力室噴管，對(duì)噴管內(nèi)壁進(jìn)行氣膜冷卻。

發(fā)汗冷卻 　也稱發(fā)散冷卻。受熱件用多孔材料制成，冷卻劑通過(guò)微孔滲出受熱表面把熱量帶走，同時(shí)在壁面上形成一層冷卻薄膜，有很好的冷卻效果。由于研制多孔材料比較困難，碳?xì)淙剂先紵蟮姆e碳容易堵塞微孔，這種冷卻方式未能廣泛應(yīng)用,僅用于液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器面板的冷卻。

燒蝕冷卻 　廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管（見(jiàn)燒蝕防熱、燒蝕材料）。還有一種自冷卻方式，機(jī)理與燒蝕冷卻類似，用多孔鎢作基體，滲入銀、銅、鋅等熔點(diǎn)較低的材料，遇熱時(shí)熔點(diǎn)低的材料升華逸出而起冷卻作用?；w鎢難熔耐蝕，能保持外形，適用于制作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯。

輻射冷卻 　利用熾熱物體的熱輻射向外散熱。輻射冷卻一般用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中熱流密度較小的噴管延伸段、燃?xì)鉁囟容^低的燃?xì)獍l(fā)生器和單元推進(jìn)劑分解的推力室?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭的黑色散熱片也起輻射散熱作用。提高輻射散熱效果主要靠選用耐高溫材料制造受熱零件；其次靠提高表面黑度，即在壁面上涂黑度0.85以上的高溫涂料。

隔熱層 　在受熱壁面上涂敷或粘貼導(dǎo)熱率低的耐高溫材料，減少燃?xì)庀虮趥鳠?。常用的隔熱材料如氧化鋯、氧化鋁等適用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；石墨、碳化鎢、陶瓷等適用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；陶瓷、高溫隔熱漆、石棉等適用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

不同的冷卻方式可以分別使用，也可以同時(shí)使用。如液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室同時(shí)采用對(duì)流冷卻和薄膜冷卻（見(jiàn)圖）；渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片同時(shí)采用噴射冷卻和氣膜冷卻。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式是風(fēng)冷還是水冷。

《用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的副水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)》涉及發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的副水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的部分熱量吸收并及時(shí)散發(fā)出去，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的部件得到適度的冷卻，使發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)包括散熱器（也稱為水箱）、水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器、溫度傳感器和水套等。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液溫度上升，從而受熱膨脹，而當(dāng)如發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液溫度下降，體積減小。為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中冷卻液的這種體積變化，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中還設(shè)置有與散熱器相通的副水箱（也稱為膨脹水箱）。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液體積變大時(shí)，部分冷卻液會(huì)流入副水箱內(nèi)而儲(chǔ)存起來(lái)；而當(dāng)冷卻液溫度下降時(shí)，副水箱中的冷卻液則會(huì)自動(dòng)地重新流入散熱器中，以進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)需要補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液時(shí)，也可以將冷卻液注入副水箱中。

圖1所示為包括傳統(tǒng)的副水箱的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的示意圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)1、散熱器2和副水箱3，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)1包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口11、發(fā)動(dòng)機(jī)出水口12和發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口13，散熱器2包括散熱器進(jìn)水口21、散熱器出水口22和散熱器出氣口23，副水箱3包括注水口31、副水箱出水口32和副水箱氣口33，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口11分別與副水箱出水口32和散熱器出水口22相通，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口12與散熱器進(jìn)水口21相通，副水箱氣口33分別與發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口13和散熱器出氣口23相通。

在圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，副水箱內(nèi)的冷卻液從副水箱出水口32通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口11而進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻管路中，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度較高的冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)出水口12通過(guò)散熱器進(jìn)水口21進(jìn)入散熱器2中，經(jīng)過(guò)散熱以獲得相對(duì)較低的溫度后，再?gòu)纳崞鞒鏊?2通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口11流回到發(fā)動(dòng)機(jī)中。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液溫度升高而體積膨脹時(shí)，冷卻液會(huì)通過(guò)副水箱出水口32而回流到副水箱3內(nèi)，以利用該副水箱3容納一部分冷卻液。

另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于冷卻系統(tǒng)中的冷卻液受熱，從而會(huì)在冷卻液內(nèi)產(chǎn)生氣體。冷卻液（如在散熱器2和發(fā)動(dòng)機(jī)1）中所產(chǎn)生的氣體分別通過(guò)散熱器出氣口23和發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口13而流動(dòng)到副水箱氣口33，進(jìn)而通過(guò)副水箱3的注水口31而排到外部。

通過(guò)以上分析可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的副水箱3內(nèi)，不但儲(chǔ)存有冷卻系統(tǒng)的冷卻液，而且由于該副水箱3需要承擔(dān)排出壓力氣體的作用，因而還存在來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)1和散熱器2的氣體。

截至2010年3月1日，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的副水箱大都為單腔式副水箱。也就是說(shuō)，該副水箱僅有一個(gè)腔室，因而副水箱內(nèi)儲(chǔ)存的冷卻液與來(lái)自于冷卻系統(tǒng)的氣體共同存在于一個(gè)腔室內(nèi)。

這種傳統(tǒng)的副水箱所帶來(lái)的缺陷在于：一方面，來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的氣體進(jìn)入副水箱后，由于除了向副水箱中注水時(shí)之外，副水箱通常均為封閉的腔室，因而會(huì)增大副水箱內(nèi)的壓力，進(jìn)而不利于將冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器中產(chǎn)生的氣體排出；另一方面，來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的氣體會(huì)給副水箱內(nèi)帶來(lái)熱量，該熱量不但同樣會(huì)使副水箱內(nèi)的壓力增高，不利于將冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器中產(chǎn)生的氣體排出，而且還會(huì)使副水箱中儲(chǔ)存的冷卻液的溫度上升，從而增加了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷。

因此，需要提供一種能夠克服上述缺陷的技術(shù)方案。